用于分布式无线网络的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明的实施例提供用于分布式无线网络的方法和设备，其中该方法包括在一个用户处接收来自于所述无线网络内其他用户发送的定制信号，以便获得所述其他用户的信道增益，利用所述信道增益来对和速率最大化问题建立模型，以及基于对所述和速率最大化问题的求解来实现最优的或次优的信道分配和功率控制。利用本发明的实施例的方法和设备，可以实现有效的信道分配和功率控制，从而改进分布式无线网络的系统性能。
【专利说明】用于分布式无线网络的方法和设备
【技术领域】
[0001] 本发明的实施例一般地涉及通信领域，更具体地，本发明的实施例涉及用于分布 式无线网络的方法和设备。
【背景技术】
[0002] 随着数据业务、智能移动设备（例如各类智能手机）和社交网络越来越多地受到 用户的欢迎，无线网络正处于网络模式转变的过程中。为提升通信的容量，小型小区（例 如，femtocell和picocell)和D2D(设备到设备）通信正在被添加到现有的网络中，这将 会导致在未来的通信中，网络结构很可能变得愈发松散和无序，从而如果对这些网络仍然 采用传统的集中式控制，就会变得非常复杂且低效。因此，近年来的通信研究更多的关注于 分布式无线网络。这样的分布式网络显示出对于异构网络很强的伸缩性、灵活性以及鲁棒 性，并且有希望改进稀缺的频谱资源的使用率。然而，由于缺少集中式的控制，设计低复杂 度又能实现期望的性能的分布式网络具有不小的挑战性。
[0003] 在用于多载波多用户系统的分布式控制算法的实际设计中存在两个主要的挑战， 其中之一是如何能够高效地实现最优的系统吞吐量，这已经成为热点研究的一个课题。理 论上，该课题可以建模为带有功率约束的和速率最大化问题。由于该问题的非凸特性，其已 经被证明是一个NP-hard问题。因此，即使在集中式的情况下也无法设计快速算法来获得 最优的解决方案。
[0004] 为此，许多放松技术已经被应用于获得近似的最优解决方案。这些技术可以被划 分为两类。一类技术是求解拉格朗日对偶放松问题来代替于求解原始的和速率最大化问 题。然而，由于该问题的非凸特性，强对偶定理要求的条件通常不能成立。进一步，由于要在 用户之间传递大量的消息，相应的对偶算法也难以以分布式的方式应用于实际的系统中。
[0005] 另一类技术是将问题转换为非合作博弈问题。人们提出了以迭代的注水算法 (IWFA)所代表的一类算法，用来计算纳什均衡。在寻找和证明存在纳什均衡解唯一性条件 以及IWFA的收敛的条件等方面，也已经做了大量工作。然而，在类技术中仍然存在着若干 缺陷。首先，为了算法的收敛，IWFA将进行若干次迭代（例如，20次迭代）。每次的迭代将 运行注水算法来进行功率分配。这使得计算复杂度变得很高，且在收敛前进行功率分配也 都是低效的。其次，算法可能无法收敛到唯一的纳什均衡。最后，即使算法收敛到纳什均衡 点，也不必然意味着网络用户可以取得较好的吞吐量，因为纳什均衡并不能保证全局最优， 例如，著名的"囚徒困境"问题。
[0006] 另一个挑战是如何设计出一个简单且有效的消息传递机制，这是实际实现分布式 网络的一个难点和重点。由于用户共享公共的频谱，为了分布式的实现合理资源分配，网络 中的用户必须要向其他的用户传送各自的信息（例如，信道增益和干扰水平）。消息的频繁 传送会造成巨大的系统开销，这里就存在着一个系统性能和开销的权衡问题。一方面，如果 缺少足够的消息传送，用户设备之间就难以达到良好的协作，从而差的系统性能就不可避 免。IWFA就是一个由于毫无消息传送而导致差的系统性能就是极端例子。然而另一方面， 大量消息频繁传递，其造成的系统开销很可能抵消甚至超出其为系统带来的性能增益。另 夕卜，众多的消息传递在实际的系统中也难于实现。
【发明内容】
[0007] 为了解决上面提到的问题，本发明的实施例提供了一种简单且有效的信令传输机 制，基于此可以进行有效的信道分配和功率控制，从而在分布式无线网络中实现良好的系 统性能，获得最佳的系统吞吐量。
[0008] 本发明的实施例提供一种用于分布式无线网络的方法，该方法包括在一个用户处 接收来自于所述无线网络内其他用户发送的定制信号，以便获得所述其他用户的信道增 益。该方法还包括利用所述信道增益来对和速率最大化问题建立模型。该方法进一步包括 基于对所述和速率最大化问题的求解来实现最优的或次优的信道分配和功率控制。
[0009] 根据本发明的一个实施例，其中接收其他用户发送的定制信号包括接收其他用户 中的每个用户以一个传输功率在每个信道中发送的信号，接收所述每个用户以所述一个传 输功率与以所述信道增益为参数的函数相乘的积作为另一个传输功率在每个信道中发送 的信号，以及基于所述一个传输功率和所述另一个传输功率来求解所述信道增益。
[0010] 根据本发明的另外实施例，其中所述和速率最大化问题模型表达为下式：
【权利要求】
1. 一种用于分布式无线网络的方法，包括： 在一个用户处接收来自于所述无线网络内其他用户发送的定制信号，以便获得所述其 他用户的信道增益； 利用所述信道增益来对和速率最大化问题建立模型；以及 基于对所述和速率最大化问题的求解来实现最优的或次优的信道分配和功率控制。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中接收其他用户发送的定制信号包括： 接收其他用户中的每个用户以一个传输功率在每个信道中发送的信号； 接收所述每个用户以所述一个传输功率与以所述信道增益为参数的函数相乘的积作 为另一个传输功率在每个信道中发送的信号；以及 基于所述一个传输功率和所述另一个传输功率来求解所述信道增益。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述信道增益通过下式求解：
其中
t示从用户i发送设备到用户j接收设备在信道k上的信道增益，乂 表示噪声方差
表示用户i的发送设备和接收设备在信道k上的归一化的信道增益
表不所述函数，P〇表不所述一个传输功率，
I不所述另一个传输功率，Si表不以传 输功率匕发送的信号，s2表示以传输功_
发送的信号。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述函数是由所述无线网络预先设定的单调增函 数并且对于所述无线网络中的每个用户是预先已知的。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述和速率最大化问题模型表达为下式：
(1) 其中Θ i表示用户i的预设权重，ri表示用户i的传输速率，并i
其中
I示用户i在信道k上的传输功率，ri(l表示用户i的最小传输速率，P i(l表示用户i 的最大可支持的传输功率，I表示所述无线网络中的用户集合，其中1= {1，2, ···〗}，以及 K表示信道集合，其中K={1，2，…K}。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中在实现最优的信道分配和功率控制中，所述方法 包括将式（1)的所述和速率最大化问题模型转化为下式（2)表达的模型：
其中变量
「表示将信道k分配给用户i的时间百分比，并且：
通过将与式（8)、（9)和（10)关联的拉格朗日乘子表示为Pi、\1和yk，得到拉格朗 日量的算式：
由此，式⑵的对偶函数由下式给出
对于给定的Ρ，μ，λ，通过一阶导数条件来最大化拉格朗日量算式k(P，μ，λ ;p， T)，得到用户i在信道k上的最优功率p%即下式
其中符号
， 将式（13)带入到式（11)，得到下式
其中
通过最大化L(P，μ，λ ;P%T)，得到用户i在信道k上的最优
，即
将最优值圹带入到式（14)，则得到如下对偶函数：
由此将式（2)的求解转化为对下式的求解：
对于给定的P和λ，在μ上最小化对偶函数，从而μ的最优解由下式给出
将集洽
]最大元素表示为
，并且将式（19)带入式（18)，得到下式
最小化式（20)得到式（18)的解，其中使用基于次梯度算法，根据下式搜索和更新Ρ 和λ直到其收敛：
其中t表示迭代的次数，a (t)表示λ i的步长，β (t)表示P i的步长
复示指 示函数，?
則所述函数值为1，否则所述函数值为〇。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中在实现次优的信道分配和功率控制中，所述方法 包括： 基于所述无线网络中的每个用户的信道增益来对信道进行排序； 迭代地执行以下的步骤直到分配完所有的信道： 针对每个未被分配的信道，计算所述信道分配给各个用户将获得的边际速率，所述边 际速率通过下式计算：
其中Marginal-Ratei表示用户i的边际速率、ACSi表示已经分配给用户i的信道的集 合，CTAi表示每次迭代执行中向用户i分配的信道集合； 通过计算每个用户的所述边际速率来确定具有最大边际速率的用户，以便向所述用户 分配所述未被分配的信道。
8. 根据权利要求7所述的方法，进一步包括： 对分配信道后的每个用户的各个信道平均分配传输功率。
9. 一种用于分布式无线网络的设备，包括： 接收单元，配置用于在一个用户处接收来自于所述无线网络内其他用户发送的定制信 号，以便获得所述其他用户的信道增益； 建模单元，配置用于利用所述信道增益来对和速率最大化问题建立模型；以及 实现单元，配置用于基于对所述和速率最大化问题的求解来实现最优的或次优的信道 分配和功率控制。
10. 根据权利要求9所述的设备，其中用于接收其他用户发送的定制信号的单元配置 用于： 接收其他用户中的每个用户以一个传输功率在每个信道中发送的信号； 接收所述每个用户以所述一个传输功率与以所述信道增益为参数的函数相乘的积作 为另一个传输功率在每个信道中发送的信号；以及 基于所述一个传输功率和所述另一个传输功率来求解所述信道增益。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中所述信道增益通过下式求解：
其4
g示从用户i发送设备到用户j接收设备在信道k上的信道增益，队 表示噪声方差
表示用户i的发送设备和接收设备在信道k上的归一化的信道增益，
表不所述函数，Pci表不所述一个传输功率，
羑不所述另一个传输功率，Si表不以传 输功率h发送的信号，&表示以传输功率
发送的信号。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述函数是由所述无线网络预先设定的单调增 函数并且对于所述无线网络中的每个用户是预先已知的。 Π .枏掘叔刹要龙12所述的设备，其中所述和速率最大化问题模型表达为下式：
(1) 其中θ i表示用户i的预设权重，ri表示用户i的传输速率，并且
其=
:表示用户i在信道k上的传输功率，r i(l表示用户i的最小传输速率，Pi(l表示用户i 的最大可支持的传输功率，I表示所述无线网络中的用户集合，其中1= {1，2, ···〗}，以及 K表示信道集合，其中K={1，2，…K}。
14.根据权利要求13所述的设备，其中在实现最优的信道分配和功率控制中，所述实 现单元配置用于将式（1)的所述和速率最大化问题模型转化为下式（2)表达的模型：
其中变』
*表示将信道k分配给用户i的时间百分比，并?
通过将与式（8)、（9)和（10)关联的拉格朗日乘子表示为Pi、\1和yk，得到拉格朗 日量的算式：
由此，式（2)的对偶函数由下式给出
对于给定的P，μ，λ，通过一阶导数条件来最大化拉格朗日量算式L(P，μ，λ ;p， T)，得到用户i在信道k上的最优功率p%即下式
其中符，
将式π3)带入刹式（m,得刹下式
其中 (15) 通过最大化L(P，μ，λ ;P%T)，得到用户i在信道k上的最优值?Γ，即
将最优值f带入到式（14)，则得到如下对偶函数：
U7) 由此将式（2)
的求解转化为对下式的求解： 对于给定的P和λ，在μ上最小化对偶函数，从而μ的最优解由下式给出
将集合丨
的最大元素表示^
许且将式（19)带入式（18)，得到下式
最小化式（20)得到式（18)的解，其中使用基于次梯度算法，根据下式搜索和更新Ρ 和λ直到其收敛：
其中t表示迭代的次数，a (t)表示λ i的步长，β (t)表示P i的步长
表示指 示函数，老
则所述函数值为1，否则所述函数值为〇。
15.根据权利要求13所述的设备，其中在实现次优的信道分配和功率控制中，所述实 现单元配置用于： 基于所述无线网络中的每个用户的信道增益来对信道进行排序； 迭代地执行以下的步骤直到分配完所有的信道： 针对每个未被分配的信道，计算所述信道分配给各 个用户将获得的边际速率，所述边际速率通过下式计算：
其中 示用户i的边际速率、ACSi表示已经分配给用户i的信道的集合，0^表 示每次迭代执行中向用户i分配的信道集合； 通过计算每个用户的所述边际速率来确定具有最大边际速率的用户，以便向所述用户 分配所述未被分配的信道。
16.根据权利要求15所述的设备，进一步包括： 平均单元，配置用于对分配信道后的每个用户的各个信道平均分配传输功率。
【文档编号】H04W72/04GK104066098SQ201310087568
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月18日 优先权日:2013年3月18日
【发明者】李殊勤, 郭海友, 蔡立羽 申请人:上海贝尔股份有限公司